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2012 Fiscal Year Annual Research Report

Element Blocks Based on Clusters and Nanoparticles of Metals and Semiconductors

Planned Research

Project AreaCreation of Element-Block Polymer Materials
Project/Area Number 24102004
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

渡辺 明  東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (40182901)

Project Period (FY) 2012-06-28 – 2017-03-31
Keywords無機高分子 / 無機元素ブロック / ナノ材料 / クラスター / 半導体
Outline of Annual Research Achievements

近年、エネルギー環境問題の顕在化から、低エネルギー・低環境負荷で高効率なプロセスを可能とする材料に関する研究が精力的に行われている。金属や半導体材料の薄膜に関しても、従来の真空下での気相堆積法に代わる様々なプロセスが探索され、それらは、フレキシブルなプリンタブルエレクトロニクスデバイスの発展において不可欠なものとなっている。ウェットプロセスに適用可能な金属や半導体のクラスターおよびナノ粒子は、それらの出発物質として重要となっている。それは、プリンタブルプロセスにおいて用いられるポリマーフィルム基板の耐熱性の制限から、元素骨格が既にある程度形成されている金属や半導体のクラスターおよびナノ粒子を機能材料創製のための元素ブロックとして用いることが有効なためである。本研究では、半導体系元素ブロック材料が有する安定性と加工性を生かしたエネルギー負荷・低環境負荷の少ないウェットプロセスによる光電子デバイスを目指した材料及びプロセスの研究を行った。元素ブロックとしては、金属ナノ粒子、SiやGe、さらにTiO2やZnO等の酸化物半導体系を対象とした。現在のところSi微粒子膜系の太陽電池において1%前後の変換効率が得られているが、さらなる変換効率の向上を目指して、Si微粒子/Geクラスター膜のレーザーシンタリング、Si微粒子/酸化物半導体ナノ粒子ヘテロジャンクション型太陽電池を目指してのTiO2ナノ粒子のミスト堆積法による薄膜形成、さらにウェットプロセスによる透明導電性薄膜形成を目指して、有機ゲルマニウムナノクラスターとZnOナノ粒子とを用いたGeドープZnO薄膜形成、Agナノ粒子とZnOナノ粒子とを用いたAgドープZnO薄膜形成に関する検討を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究は、有機材料同様の反応性や加工性と無機材料の安定性と半導体特性を有した種々の無機元素ブロック材料およびそれらを用いた新規プロセスを創成することを目的としている。その出口としては、新規太陽電池実現のためのブレークスルーを目指している。元素ブロックとしては、金属ナノ粒子、SiやGe、さらにTiO2やZnO等の酸化物半導体系を対象として研究を進めている。これらを用いた太陽電子として、Si微粒子/TiO2ナノ粒子ヘテロジャンクション型太陽電池を全塗布型プロセスで形成し、1%前後の変換効率を得ている。さらなる変換効率の向上のためには、ウェットプロセスで形成可能な半導体膜質の改善が必余殃であり、これに関してはSi微粒子/Geクラスター膜のレーザーシンタリングによる検討を行っており、結晶性のSi、SiGe合金、およびGe膜の形成を確認している。また、大面積のヘテロ接合界面の形成を目指して、TiO2ナノ粒子を用いたミスト堆積法による微細構造を有するTiO2膜形成法を開拓している。さらに、太陽電池の変換効率には明導電性薄膜の特性の影響が顕著であることが示され、ウェットプロセスによる透明導電性薄膜形成を目指して、有機ゲルマニウムナノクラスターとZnOナノ粒子とを用いたGeドープZnO薄膜形成、Agナノ粒子とZnOナノ粒子とを用いたAgドープZnO薄膜形成に関する検討に着手している。
以上にょうに、無機元素ブロック材料を用いた新規太陽電池実現を目指して、おおむね順調に研究は進展している。

Strategy for Future Research Activity

金属、SiやGe半導体系、TiO2やZnO等の酸化物半導体系のクラスターや微粒子系およびそれらを用いた光電子デバイスの特性においては、それの表面構造の制御が重要となる。表面の化学構造が無機元素ブロック材料の光電子物性にどのような影響を及ぼすかを理論および実験の両面から明らかにしていくことが本研究目的の達成に必要なこととなる。このためには、領域内での共同研究を有効に行っていくことが必要となる。理論的な検討に関しては、SiやGe半導体系、TiO2やZnOの酸化物半導体のクラスター構造のモデリングを行い、分子軌道計算に基づき様々な表面修飾法の可能性を領域内での共同研究を生かして行っていくことを考えている。また、無機元素ブロック材料からなる薄膜の構造を明らかにすることを目的とした領域内での共同研究を展開してく。
これらの知見を無機元素ブロック材料の創成に生かし、高い変換効率と安定性を有した新規太陽電池につながるブレークスルーを目指していく。

  • Research Products

    (14 results)

All 2013 2012

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (9 results) (of which Invited: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Synthesis and monolayer behavior of organogermanium clusters2013

    • Author(s)
      Takahiro Ogawa
    • Journal Title

      Journal of Colloid and Interface Science

      Volume: 391 Pages: 1-7

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of highly refractive barium-titanate-incorporated polyimide nanocomposite films with high permittivity and thermal stability2013

    • Author(s)
      Keisuke Abe
    • Journal Title

      Polym Int.

      Volume: 62 Pages: 141-145

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Laser sintering of gold nanoparticles on a copper substrate toward an alternative to gold plating2013

    • Author(s)
      Akira Watanabe
    • Journal Title

      Proc. of SPIE

      Volume: 8245 Pages: in press

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Formation of Microstructures by Laser Sintering of Metal Nanoparticle/POSS Hybrid Films2012

    • Author(s)
      A. Watanabe
    • Journal Title

      J. Photopolym. Sci. Technol.

      Volume: 25 Pages: 679-680

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 元素ブロック材料を用いた微細表面テクスチャー形成2013

    • Author(s)
      渡辺明
    • Organizer
      日本化学会第93春季年会
    • Place of Presentation
      滋賀県草津市
    • Year and Date
      2013-03-22 – 2013-03-25
    • Invited
  • [Presentation] TiO2ナノ粒子を用いたミスト堆積薄膜の微細構造2013

    • Author(s)
      QIN, Gang
    • Organizer
      日本化学会第93春季年会
    • Place of Presentation
      滋賀県草津市
    • Year and Date
      2013-03-22 – 2013-03-25
  • [Presentation] Laser sintering of gold nanoparticles on a copper substrate oward an alternative to gold plating2013

    • Author(s)
      Akira Watanabe
    • Organizer
      2013 Photonics West
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      2013-02-02 – 2013-02-07
  • [Presentation] Synthesis and Crosslinking of Siloxane Based Hybrid Polymer2012

    • Author(s)
      Ali Demirci
    • Organizer
      IPC2012
    • Place of Presentation
      神戸
    • Year and Date
      2012-12-11 – 2012-12-14
  • [Presentation] ウェットプロセスによるシリコン太陽電池2012

    • Author(s)
      渡辺明
    • Organizer
      第31回無機高分子研究討論会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2012-11-08 – 2012-11-09
  • [Presentation] POSSと金属ナノ粒子からなる自己組織化構造のレーザと金属ナノ粒子からなる自己組織化構造のレーシンタリング2012

    • Author(s)
      渡辺明
    • Organizer
      第61回高分子討論会
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      2012-09-19 – 2012-09-21
  • [Presentation] Film Preparation of Siloxane-Based Polymers Containing Anthracene Group2012

    • Author(s)
      Ali Demirci
    • Organizer
      KJF2012
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2012-08-29 – 2012-09-01
  • [Presentation] レーザー直接描画法による機能性薄膜の微細パターン形成2012

    • Author(s)
      渡辺明
    • Organizer
      光材料・応用技術研究会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2012-08-24
    • Invited
  • [Presentation] Formation of Microstructures by Laser Sintering of Metal Nanoparticle/POSS Hybrid Films2012

    • Author(s)
      Akira Watanabe
    • Organizer
      The Conference of Photopolymer Science and Technology ICPST-29
    • Place of Presentation
      千葉
    • Year and Date
      2012-06-30
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体膜形成用塗布液、半導体膜及びその製造方法、並びに太陽電池2013

    • Inventor(s)
      渡辺明
    • Industrial Property Rights Holder
      東北大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2013-069880
    • Filing Date
      2013-03-28

URL: 

Published: 2018-02-02  

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